表觀遺傳改變的分子機制

表觀遺傳改變的分子機制

表觀遺傳是研究表觀遺傳變化的遺傳分支。表觀遺傳變異(Epigeneticvariation)是指在基因的DNA序列沒有發(fā)生改變的情況下,基因功能發(fā)生了可遺傳的變化,并最終導致了表型的變化。它是不符合孟德爾遺傳規(guī)律的核內遺傳,由此可以認為,基因組含有2類遺傳信息,一類是傳統(tǒng)意義上的遺傳信息,即DNA序列所提供的遺傳信息,另一類是表觀遺傳學信息,它提供了何時、何地、以何種方式去應用遺傳信息的指令。Epigenetics這一名詞的中文譯法有多種,通常被譯為表觀遺傳學或表遺傳學,Epigenetics的概念首先見于Waddington的“現(xiàn)代遺傳學導論”一書(1939年),當時的Epigenetics是指研究基因產生表型的過程。近年來的發(fā)展已將Epigenetics定義為“基因功能的改變凡未牽涉到DNA序列,又可通過細胞的有絲分裂而遺傳者”。表觀遺傳學有3層含義:①可遺傳的,即這類改變通過有絲分裂或減數(shù)分裂,能在細胞或個體世代間遺傳;②是基因表達的改變;③沒有DNA序列的變化或不能用序列變化來解釋。它和DNA的改變所不同的是,許多表觀遺傳的改變是可逆的,這就為疾病的治療提供了樂觀的前景。筆者就表觀遺傳改變涉及DNA的甲基化、組蛋白修飾、染色質重塑、非編碼RNA等機制進行論述,并表觀遺傳學改變的特征及相關進展進行敘述。1表1中的遺傳因素1.1dna甲基化和癌基因組學在哺乳動物細胞的基因組DNA中,3%~5%的胞嘧啶是以5-甲基胞嘧啶形式存在的。同時70%的5-甲基胞嘧啶參與了CpG序列的形成。而非甲基化的CpG序列則與管家基因以及組織特異性表達基因有關,這提示CpG的甲基化與否在基因的表達中起重要作用。甲基化是基因組DNA的一種主要表觀遺傳修飾形式,是調節(jié)基因組功能的重要手段。在脊椎動物中,CpG二核苷酸是DNA甲基化發(fā)生的主要位點。CpG常成簇存在,人們將基因組中富含CpG的一段DNA稱為CpG島(CpGisland),通常長度在1~2kb。CpG島常位于轉錄調控區(qū)附近,DNA甲基化的研究與CpG島的研究密不可分。在DNA甲基化過程中,胞嘧啶突出于DNA雙螺旋并進入與胞嘧啶甲基轉移酶結合部位的裂隙中,該酶將S-腺苷甲硫氨酸(SAM)的甲基轉移到胞嘧啶的5′位,形成5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5MC)。體內甲基化狀態(tài)有3種:持續(xù)的低甲基化狀態(tài),如持家基因;誘導的去甲基化狀態(tài),如發(fā)育階段中的一些基因;高度甲基化狀態(tài),如女性的一條縊縮的X染色體。DNA甲基化主要是通過DNA甲基轉移酶家族(DNAmethyltransferase,Dnmt)來催化。DNA甲基轉移酶分2種:一種是維持甲基化酶Dnmtl;另一種是重新甲基化酶如Dnmt3a和Dnmt3b,它們使去甲基化的CpG位點重新甲基化。在細胞分化的過程中,基因的甲基化狀態(tài)將遺傳給后代細胞。但在哺乳動物的生殖細胞發(fā)育時期和植入前胚胎期,其基因組范圍內的甲基化模式通過大規(guī)模的去甲基化和接下來的再甲基化過程發(fā)生重編程,從而產生具有發(fā)育潛能的細胞。DNA甲基化影響到基因的表達,與腫瘤的發(fā)生密切相關。甲基化狀態(tài)的改變是致癌作用的一個關鍵因素,它包括基因組整體甲基化和CpG島局部甲基化程度的異常升高,這將導致基因組的不穩(wěn)定(如染色體的不穩(wěn)定、可移動遺傳因子的激活、原癌基因的表達)。把癌基因組學與表觀遺傳學的研究結合起來,是癌癥研究的發(fā)展趨勢。人類的一些癌癥常出現(xiàn)整個基因組DNA的低甲基化,但人們并不清楚這種表觀遺傳變化是腫瘤產生的誘因還是結果。研究者構建了攜帶低表達水平Dnmtl基因的小鼠,對它的研究結果顯示,DNA低甲基化可能通過提高染色體的不穩(wěn)定性來促進腫瘤的形成。同時指出,通常使用DNA甲基轉移酶抑制劑來治療人和小鼠的癌癥,其療效可能是由于這些抑制劑恢復了腫瘤抑制基因的活性。但是這種導致DNA低甲基化的治療方式,可能在防止一些癌癥發(fā)生的同時,也會造成基因組的不穩(wěn)定并增加其他組織易患癌癥的風險。這些都是需要繼續(xù)深入研究的問題。1.2組寶白色裝飾1.2.1h3lys4甲基化它是繼DNA甲基化之后提出的又一新概念。研究顯示,甲基化主要發(fā)生在H3和H4的賴氨酸和精氨酸殘基上,由精氨酸介導的組蛋白甲基轉移酶能選擇性地甲基化H2和H3的精氨酸尾位點,并協(xié)同誘導轉錄活性。而賴氨酸殘基上的甲基化存在單甲基、雙甲基和三甲基3種狀態(tài),其中H3Lys3處發(fā)生的雙甲基化是處于有活性的染色質區(qū)域。H3Lys4甲基化則與活性基因的表達有關,它除發(fā)生甲基化外,還可以發(fā)生乙?；Ｔ撐稽c的競爭性修飾或許就是常、異染色質改型的分子開關,調控相關酶及其活性,從而達到精密調控復雜的生物學過程。染色質免疫沉淀分析也證明,H3Lys9的甲基化與失活基因的啟動子有關,而Lys4的甲基化則與X染色體的活性基因有關。這表明H3氨基末端不同位點的甲基化分別與基因的失活與激活相關。這也可能是確立和維持特異性染色質的“組蛋白密碼”的部分分子機制。1.2.2去除乙?；龠Mrna聚合酶催化的鑒定組蛋白乙酰化時,染色質呈疏松狀態(tài),有利于基因的表達。體外研究表明,在組蛋白H3主要的乙?；稽c中,Lys14最容易發(fā)生乙酰化,這也許與Lys14以外的氨基酸序列有關。Hanse等認為,核小體中的組蛋白不必完全乙?；?僅40%乙酰化就足以防止染色質折疊,促進RNA聚合酶Ⅲ催化轉錄。同時,組蛋白乙酰化高度保守,具有調節(jié)染色質的功能。Turner等發(fā)現(xiàn),H4尾部Lys5和Lys12去乙?；纱龠M染色質組裝,并為轉錄因子和染色質修飾酶的結合和發(fā)揮作用提供條件。組蛋白的乙?；腿ヒ阴；謩e由乙?；D移酶(HAT)和去乙?；D移酶(HDAC)催化完成。前者將乙酰輔酶A的乙?；D移至核心蛋白氨基末端中特定的賴氨酸殘基上,中和其電荷,使核小體DNA易于接近轉錄因子,則HAT充當了轉錄的輔激活因子。它還可以通過與各種反式激酶的蛋白質相互作用,被募激到染色質的特定位點上以便其調節(jié)基因轉錄的作用。已知HAT和HDAC對乙?；稽c有嚴密的特異性,他們不僅參與整個基因組的乙?；腿ヒ阴；?還參與修飾其他因子。1.2.3泛酸酶體降解蛋白質的主要作用組蛋白氨基末端的多樣性共價修飾,除甲基化和乙?；?還有泛素化、磷酸化和ADP核糖基化等。泛素是一種有76個氨基酸殘基的多肽,相對分子質量約為8.5kD,高度保守,存在于所有真核細胞內,因其存在豐富而廣泛得名。它的主要作用是以多聚泛酸鏈的形式與需降解的底物蛋白結合,從而標記底物蛋白,以便通過泛酸-蛋白酶體途徑對蛋白質進行降解。這種降解有著重要的生理功能,如在細胞周期的調控、抗原提呈、轉錄調控和細胞周期凋亡等方面發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn),泛酸-蛋白酶體途徑是至今為止人們所知的最精細的蛋白降解途徑。對這個途徑的分子機制的深入研究,將有助于對機體各種生理功能和疾病的認識。Yamamoto等對組蛋白磷酸化的研究發(fā)現(xiàn),被IKK(IKBKinase)-α磷酸化的組蛋白H3在細胞因子誘導的基因表達中起重要作用,IKK-α與CREB結合蛋白反應。與RelA結合后被招募至NF-κB的啟動子區(qū),介導細胞因子誘導的組蛋白H3的磷酸化和隨即發(fā)生的特異性殘基的乙?；?。1.3基因轉錄啟動子區(qū)染色質重塑(Remodeling)指染色質位置和結構的變化。主要涉及密集的染色質絲在核小體連接處發(fā)生松解造成染色質解壓縮,從而暴露基因轉錄啟動子區(qū)中的順式作用元件,為反式作用蛋白(轉錄因子)與其結合提供了一種稱為可接近性(Accesibility)的狀態(tài)。染色質重塑過程由2類結構介導:ATP依賴型核小體重塑復合體和組蛋白修飾復合體。前者通過水解作用改變核小體構型;后者對核心組蛋白N端尾部的共價修飾進行催化。修飾直接影響核小體結構,并為其他蛋白提供了和DNA作用的結合位點。1.4短鏈rna促進基因表達功能性非編碼RNA在基因表達中發(fā)揮重要作用,按照它們的大小可分為長鏈非編碼RNA和短鏈非編碼RNA。長鏈非編碼RNA在基因簇以至于整個染色體水平發(fā)揮順式調節(jié)作用,短鏈RNA在基因組水平對基因表達進行調控,其可介導mRNA的降解,誘導染色質結構的改變,決定著細胞的分化命運,還對外源的核酸有降解作用以保護本身的基因組。常見的短鏈RNA為小干涉RNA(ShotinterferingRNA,siRNA)和微小RNA(MicroRNA,miRNA)。RNA無論以反義轉錄本存在的、非編碼的RNAs,或RNAi均能導致異染色質形成,并且在有絲分裂中可以遺傳的轉錄沉默。2表觀遺產學導致基因表達的變化表觀遺傳學是與遺傳學相對應的概念,遺傳學主要是指基因序列改變所致基因表達水平的變化,而表觀遺傳學是指非基因序列所致的可遺傳的變化,是在基因組層次上調控基因的表達,即通過控制基因的表達時間、空間位置和表達方式來調控發(fā)育工程及各種生理反應。同傳統(tǒng)的遺傳學特征性改變相比,表觀遺產學的不同之處在于它是漸變的遺傳過程而非突變的過程。如在哺乳動物中隨著細胞的衰老,基因組中胞嘧啶5位的甲基化會逐漸減少,隨著這種總體甲基化水平的降低,可能導致一些異?；虻募せ?。在這種胞嘧啶5位甲基化減少的同時,也會有一些基因啟動子區(qū)CpG島的高甲基化。這種啟動子區(qū)域的甲基化就像一個可變電阻器一樣逐漸導致基因的沉默而非突然的沉默。目前,盡管人們對表觀遺傳學知之甚少,仍然具有充分的條件對控制年齡異常的基因進行調控。3表觀遺傳的科學研究3.1cpg島異常甲基化CpG甲基化導致腫瘤抑制基因轉錄失活是腫瘤發(fā)生的重要機制之一。研究發(fā)現(xiàn),DNA甲基化模式的改變,尤其是某些抑癌基因局部甲基化水平的異常增高,在腫瘤的發(fā)生和發(fā)展過程中起到了不容忽視的作用。眾多惡性腫瘤不同程度地存在一個或多個腫瘤抑制基因CpG島甲基化,這些相關的腫瘤抑制基因失活涉及多個環(huán)節(jié),從而導致腫瘤的發(fā)生和進展。研究發(fā)現(xiàn),p15、p16基因對肝癌細胞生長有抑制作用,其表達失活與肝癌發(fā)生相關。CpG島異常甲基化關閉p15、p16基因轉錄表達,導致細胞增殖周期失調,其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的重要作用已得到了較為廣泛的認同。在正常人的造血干細胞中,p15基因很少呈現(xiàn)高甲基化的狀態(tài),而在急性白血病中基因失活的主要原因是啟動子區(qū)的異常高甲化。在家族性和散發(fā)性胃癌中均有啟動子CpG甲基化引起的E-cadherin靜止。對胸腺及前列腺腫瘤細胞的研究發(fā)現(xiàn),E-cadherin基因停止表達的原因可能是異常甲基化,即E-cadherin基因表達與甲基化呈緊密相關。Temple大學Sbarro癌癥研究所和分子醫(yī)學研究所以及意大利錫耶納大學的研究人員發(fā)現(xiàn),將甲基或其他化學集基團連接到腫瘤抑制基因Rb2/p130的DNA序列上,能夠使這個基因失去在非小肺癌細胞(NSLC)和眼癌細胞中抑制腫瘤的功能,進一步對這種基因進行研究,發(fā)現(xiàn)它被甲基化了,并因此終止了功能。這些發(fā)現(xiàn)為人們通過檢測Rb2/p130基因的甲基化與否來確定癌變和前癌變狀況提供了重要的信息,這些癌變或前癌變狀況能夠利用具有脫去Rb2/p130基因的甲基的藥物或試劑來治療,一旦這些藥物或試劑脫去了Rb2/p130上的甲基,這個基因就會再次開始表達或正常行使功能了?？傊?對腫瘤表觀遺傳學的研究,將有助于新的癌基因和抑癌基因的發(fā)現(xiàn),有利于從臨床的角度促進以靶點為治療目標的抗腫瘤新藥的研制和開發(fā)。3.2dna的修飾作用雙胞胎擁有同一套遺傳物質,本來應該長得一模一樣,而且在小的時候雙胞胎的確讓人難以區(qū)分,但是長大以后很多就會明顯不同,這種差異到底是如何來的一直不十分清楚。西班牙國家癌癥中心的Fraga等通過對160名3~74歲的雙胞胎進行分析,結果表明,在外界影響下基因組在表達水平上的不同導致了雙胞胎出現(xiàn)差異。他們對基因組上的2種修飾作用進行了檢測,將雙胞胎的檢測結果進行比對,結果發(fā)現(xiàn),DNA的甲基化和組蛋白的乙?；饔每梢宰尰虻谋磉_增強或者減弱。在小的時候雙胞胎基因的表達形式幾乎是一樣的,但是年齡在28歲以上的雙胞胎基因表達特征就會出現(xiàn)明顯的不同。雖然這些修飾作用可能只是改變了一點點,但是造成的影響,特別是在疾病方面是十分明顯的。3.3x染色體失活中心在哺乳動物中,雌雄性個體X染色體數(shù)目不同,這類動物需要以一種方式來解決X染色體劑量的差異。在雌性哺乳動物中,2條X染色體有一條是失活的,稱為X染色體的劑量補償(dosagecompensation)。X染色體失活的選擇和起始發(fā)生在胚胎發(fā)育早期,這個過程被X失活中心(X-inactivationcenter,Xic)所控制,是一種反義轉錄調控模式。這個失活中心存在著X染色體失活特異性轉錄基因Xist(X-inactive-specifictranscript),當失活的命令下達時,這個基因就會產生一個17kb不翻譯的RNA與X染色體結合,引發(fā)失活。X失活中心還有“記數(shù)”的功能,即保持每個二倍體中僅有一條X染色體有活性,其余全部失活。X染色體的失活狀態(tài)需要表觀遺傳修飾如DNA甲基化來維持。這種失活可以通過有絲或減數(shù)分裂遺傳給后代。X染色體失活是表觀遺傳學研究的很好范例,它能